CN205142045U - 光伏变换电路及光伏电力设备 - Google Patents

Abstract

一种光伏变换电路及光伏电力设备，光伏变换电路包括第一推挽模块、第二推挽模块、第三推挽模块、第四推挽模块、直流电抗器、交流电抗器、直流电容器和第一开关，电路可接一到四个光伏电池作为输入电源，当输入电源为四个光伏电池时，四个光伏的电池的正、负极分别接四个推挽模块的输入端正、负极；当作为输入电源的光伏电池少于四个时，可将四个推挽模块中的一个或多个的输入端并联起来，再与光伏电池的正极、负极相连。如此，光伏变换电路不包含IGBT，节省成本的同时，可以输出直流电源和/或交流电源。

Description

光伏变换电路及光伏电力设备

技术领域

本实用新型涉及光电技术，特别是涉及一种光伏变换电路光伏电力设备。

背景技术

基于光伏电池的太阳能发电系统在近年来发展迅速。一方面，在一些应用场合下，需要将光伏电池的电压升高，从而为直流负载等供电；另一方面，在满足直流负载供电需求的前提下，又希望能够将光伏电池多余的电能带动交流负载或并入电网，保证光能得到充分利用。要满足这样的需求，就需要光伏电池所外接的变换器兼具直流升压和交流逆变的功能，并且能够将交、直流电压均升到较高水平，以实现大功率能量传输。

传统的直流升压逆变电路采用两级电路，第一级采用直流变换器将光伏电池的电压升高，第二级采用基于IGBT的全桥逆变电路实现直流-交流变换。但这种电路其直流、交流电压的升压范围受IGBT的电压等级限制，并不能升到很高的电压，所输出功率也受到限制，目前的单级升压逆变电路可直接实现光伏逆变，但该电路不含直流接线出口，无法直接为直流负载供电。还有的光伏并网电路虽然可以利用多电平技术，只采用低电压等级的IGBT就可以实现高压变换，但由于整个电路中采用了较多的IGBT器件，使得电路成本增加显著。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种光伏变换电路，旨在解决传统直流升压和交流并网的光伏变换电路包含IGBT导致成本高的问题。

一种光伏变换电路，包括第一推挽模块、第二推挽模块、第三推挽模块、第四推挽模块、直流电抗器、交流电抗器、直流电容器和第一开关，其中：

所述第一推挽模块、第二推挽模块、第三推挽模块和第四推挽模块用于接入光伏电源并输出直流电，所述第一推挽模块的输出正极与所述第二推挽模块的输出正极以及所述直流电抗器的一端相连，所述直流电抗器的另一端与所述直流电容器的正极及所述第一开关的一端相连，并作为光伏变换电路的输出正极直流母线；所述第三推挽模块的输出负极与所述第四推挽模块的输出负极、所述直流电容器的负极以及所述第一开关的另一端相连，并作为光伏变换电路的输出负极直流母线；

所述第一推挽模块的输出负极与所述第三推挽模块的输出正极以及交流电抗器的一个端点相连，所述交流电抗器的另一个端点作为光伏变换电路交流侧的一个端点；所述第二推挽模块的输出负极与所述第四推挽模块的输出正极相连，并作为光伏变换电路交流侧的另一个端点。

进一步地，第一推挽模块、第二推挽模块、第三推挽模块和第四推挽模块均至少包括至少一个推挽式DC-DC变换电路，或多个并联的所述推挽式DC-DC变换电路。

进一步地，所述推挽式DC-DC变换电路包括变压器、第一开关管、第二开关管、第一滤波电容和整流模块，所述变压器的初级绕组和次级绕组，且所述初级绕组具有中间抽头；

所述初级绕组的中间抽头和非同名端之间接所述第一滤波电容，所述初级绕组的同名端、非同名端分别与所述第一开关管的输入端、第二开关管的输入端连接，所述中间抽头接所述光伏电源的正极，所述第一开关管的输出端和第二开关管的输出端接所述光伏电源的负极，所述第一开关管的控制端和第二开关管的控制端分别接入预设工作频率的第一驱动信号和第二驱动信号，所述第一驱动信号和第二驱动信号相位相差180°；

所述次级绕组的同名端接所述整流模块的第一输入端，所述次级绕组的非同名端接所述整流模块的第二输入端，所述整流模块的两个输出端分别作为所述推挽式DC-DC变换电路输出正极和输出负极。

进一步地，所述整流模块包括第一二极管、第二二极管、第三二极管及第四二极管；

所述第一二极管、第二二极管、第三二极管及第四二极管构成全桥整流器，所述全桥整流器的第一输入端、第二输入端分别作为所述整流模块的第一输入端、第二输入端；所述全桥整流器的正输出端、负输出端分别作为所述推挽式DC-DC变换电路输出正极和输出负极。

进一步地，所述整流模块包括第五二极管、第六二极管、第二滤波电容及第三滤波电容；

所述第五二极管的阳极作为所述整流模块的第一输入端，且与所述第六二极管的阴极连接，所述第二滤波电容和第三滤波电容串联在所述第五二极管的阴极和所述第六二极管的阳极之间，所述第二滤波电容和第三滤波电容的串联节点作为所述整流模块的第二输入端，所述第五二极管的阴极、所述第六二极管的阳极分别作为所述推挽式DC-DC变换电路输出正极和输出负极。

进一步地，所述第一开关管和所述第二开关管为半导体场效应管。

进一步地，所述第一开关为继电器。

进一步地，所述光伏电源为光伏电池。

此外，还提供了一种光伏电力设备，包括上述的光伏变换电路。

上述的光伏变换电路可接一到四个光伏电池作为输入电源，当输入电源为四个光伏电池时，四个光伏的电池的正、负极分别接四个推挽模块的输入端正、负极；当作为输入电源的光伏电池少于四个时，可将四个推挽模块中的一个或多个的输入端并联起来，再与光伏电池的正极、负极相连。如此，光伏变换电路不包含IGBT，节省成本的同时，可以输出直流电源和/或交流电源。

附图说明

图1为本实用新型较佳实施例中光伏变换电路的结构示意图；

图2为图1所示光伏变换电路一个实施例中的原理图；

图3为图1所示光伏变换电路另一个实施例中推挽模块的原理图；

图4A、4B分别为图1所示光伏变换电路的输出直流电压、电流波形图；

图5A、5B分别为图1所示光伏变换电路的输出交流电压、电流波形图。

具体实施方式

为了使本实用新型要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1及图2，本实用新型较佳实施例中可应用在光伏电力设备的光伏变换电路包括第一推挽模块11、第二推挽模块12、第三推挽模块13、第四推挽模块14、直流电抗器L_dc、交流电抗器L_ac、直流电容器C_dc和第一开关K。

第一推挽模块11、第二推挽模块12、第三推挽模块13和第四推挽模块14用于接入光伏电源(图未示出)并输出直流电，第一推挽模块11的输出正极S_1o+与第二推挽模块12的输出正极S_2o+以及直流电抗器L_dc的一端相连，直流电抗器L_dc的另一端与直流电容器C_dc的正极及第一开关K的一端相连，并作为光伏变换电路的输出正极直流母线DC+；第三推挽模块13的输出负极S_3o-与第四推挽模块14的输出负极S_4o-、直流电容器C_dc的负极以及第一开关K的另一端相连，并作为光伏变换电路的输出负极直流母线DC-。

第一推挽模块11的输出负极S_1o-与第三推挽模块13的输出正极S_3o+以及交流电抗器L_ac的一个端点相连，交流电抗器L_ac的另一个端点作为光伏变换电路交流侧的一个端点AC_a；第二推挽模块12的输出负极S_2o-与第四推挽模块14的输出正极S_4o+相连，并作为光伏变换电路交流侧的另一个端点AC_b。

光伏变换电路可接一到四个光伏电池作为输入电源，当输入电源为四个光伏电池时，四个光伏的电池的正、负极分别接四个推挽模块的输入端正、负极；当作为输入电源的光伏电池少于四个时，可将四个推挽模块中的一个或多个的输入端并联起来，再与光伏电池的正极、负极相连。

本实施例中，第一推挽模块11、第二推挽模块12、第三推挽模块13和第四推挽模块14均至少包括至少一个推挽式DC-DC变换电路，或多个并联的推挽式DC-DC变换电路。推挽模块的推挽式DC-DC变换电路为多个时，推相邻的推挽式DC-DC变换电路中相应的驱动信号相位相差90°。

请参阅图2，推挽式DC-DC变换电路(以第一推挽模块11为例)包括变压器T1、第一开关管M11、第二开关管M12、第一滤波电容C11和整流模块111，变压器T1的具有初级绕组和次级绕组，且初级绕组具有中间抽头。

初级绕组的中间抽头和非同名端之间接第一滤波电容C11，初级绕组的同名端、非同名端分别与第一开关管M11的输入端、第二开关管M12的输入端连接，中间抽头作为推挽模块的输入正极S1in+接光伏电源的正极，第一开关管M11的输出端和第二开关管M12的输出端作为推挽模块的输入负极S1in-接光伏电源的负极，第一开关管M11的控制端和第二开关管M12的控制端分别接入预设工作频率的第一驱动信号和第二驱动信号，第一驱动信号和第二驱动信号相位相差180°；次级绕组的同名端接整流模块111的第一输入端，次级绕组的非同名端接整流模块111的第二输入端，整流模块111的两个输出端分别作为推挽式DC-DC变换电路输出正极(推挽模块的输出正极)S_1o+和输出负极(推挽模块的输出负极)S_1o-。

进一步地，次级绕组的同名端通过一LC谐振电路接整流模块111的第一输入端，且第一驱动信号和第二驱动信号的工作频率为LC谐振电路的谐振频率，且预设最大占空比、最小死区时间。

在一个实施例中，请参阅图2，整流模块111为桥式整流方式，包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3及第四二极管D4。

第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3及第四二极管D4构成全桥整流器，全桥整流器的第一输入端、第二输入端分别作为整流模块111的第一输入端、第二输入端；全桥整流器的正输出端、负输出端分别作为推挽式DC-DC变换电路输出正极S_1o+和输出负极S_1o-。

在另一个实施例中，请参阅图3，整流模块112为倍压整流方式，整流模块112包括第五二极管D5、第六二极管D6、第二滤波电容C2及第三滤波电容C3。

第五二极管D5的阳极作为整流模块112的第一输入端，且与第六二极管D6的阴极连接，第二滤波电容C2和第三滤波电容C3串联在第五二极管D5的阴极和第六二极管D6的阳极之间，第二滤波电容C2和第三滤波电容C3的串联节点作为整流模块112的第二输入端，第五二极管D5的阴极、第六二极管D6的阳极分别作为推挽式DC-DC变换电路输出正极S_1o+和输出负极S_1o-。

本实施例中，第一开关管M11和第二开关管M12为半导体场效应管。进一步地，第一开关K为继电器，光伏电源为光伏电池。

工作原理：整个电路包括四个推挽模块，其输出电压分别记为u_o1,u_o2,u_o3,u_o4，记电路欲输出的直流电压为U_dc，欲输出的交流正弦电压为u_ac(t)(其中需满足调制比小于1，即u_ac(t)的幅值小于U_dc)那么在忽略滤波电感上的谐波压降后，有：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{o1}+u_{o3}=u_{o2}+u_{o4}=U_{dc}\\ u_{o2}-u_{o1}=u_{o3}-u_{o4}=u_{ac}\left(t\right)\end{array}\right.$

从而有：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{o1}=u_{o4}\frac{1}{2}{U}_{dc}-\frac{1}{2}{u}_{ac}\left(t\right)\\ u_{o2}=u_{o3}\frac{1}{2}{U}_{dc}+\frac{1}{2}{u}_{ac}\left(t\right)\end{array}\right.$

上式实际给出了各子模块的调制参考波。

由于每个接入光伏电源的模块采用推挽结构，且二次侧采用全桥整流电路，因此其输出电压必为非负值。在一个控制周期内，变压器副边输出电压波形为两个方波。通过脉宽调制，可以使两个方波在该控制周期内的积分与参考电压或对整个控制周期的积分一致(即伏秒等效)，根据这一原则可以计算出该控制周期内半导体场效应管的占空比。这样在经过直流电感和交流电感滤除谐波后，整个电路输出的直流电压和交流电压即为所要输出的波形，从而实现了交流、直流同步并网。

下表为本电路的一个实施例的相关参数。

本实施例中光伏变换电路的直流侧输出电压波形图、直流侧输出电流波形图、交流侧输出电压波形图和交流侧输出电流波形图分别如图4A、4B、5A、5B所示。从波形图可见，本光伏变换电路可同时实现直流升压和交流逆变，且直流输出侧、交流输出侧电压、电流波形良好，可实现高压、大功率能量传输。而且，在没有使用IGBT的情况下实现的，即节省了成本。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光伏变换电路，其特征在于，包括第一推挽模块、第二推挽模块、第三推挽模块、第四推挽模块、直流电抗器、交流电抗器、直流电容器和第一开关，其中：

所述第一推挽模块、第二推挽模块、第三推挽模块和第四推挽模块用于接入光伏电源并输出直流电，所述第一推挽模块的输出正极与所述第二推挽模块的输出正极以及所述直流电抗器的一端相连，所述直流电抗器的另一端与所述直流电容器的正极及所述第一开关的一端相连，并作为光伏变换电路的输出正极直流母线；所述第三推挽模块的输出负极与所述第四推挽模块的输出负极、所述直流电容器的负极以及所述第一开关的另一端相连，并作为光伏变换电路的输出负极直流母线；

所述第一推挽模块的输出负极与所述第三推挽模块的输出正极以及交流电抗器的一个端点相连，所述交流电抗器的另一个端点作为光伏变换电路交流侧的一个端点；所述第二推挽模块的输出负极与所述第四推挽模块的输出正极相连，并作为光伏变换电路交流侧的另一个端点。

2.如权利要求1所述的光伏变换电路，其特征在于，所述第一推挽模块、第二推挽模块、第三推挽模块和第四推挽模块均至少包括至少一个推挽式DC-DC变换电路，或多个并联的所述推挽式DC-DC变换电路。

3.如权利要求2所述的光伏变换电路，其特征在于，所述推挽式DC-DC变换电路包括变压器、第一开关管、第二开关管、第一滤波电容和整流模块，所述变压器的初级绕组和次级绕组，且所述初级绕组具有中间抽头；

所述初级绕组的中间抽头和非同名端之间接所述第一滤波电容，所述初级绕组的同名端、非同名端分别与所述第一开关管的输入端、第二开关管的输入端连接，所述中间抽头接所述光伏电源的正极，所述第一开关管的输出端和第二开关管的输出端接所述光伏电源的负极，所述第一开关管的控制端和第二开关管的控制端分别接入预设工作频率的第一驱动信号和第二驱动信号，所述第一驱动信号和第二驱动信号相位相差180°；

所述次级绕组的同名端接所述整流模块的第一输入端，所述次级绕组的非同名端接所述整流模块的第二输入端，所述整流模块的两个输出端分别作为所述推挽式DC-DC变换电路输出正极和输出负极。

4.如权利要求3所述的光伏变换电路，其特征在于，所述整流模块包括第一二极管、第二二极管、第三二极管及第四二极管；

所述第一二极管、第二二极管、第三二极管及第四二极管构成全桥整流器，所述全桥整流器的第一输入端、第二输入端分别作为所述整流模块的第一输入端、第二输入端；所述全桥整流器的正输出端、负输出端分别作为所述推挽式DC-DC变换电路输出正极和输出负极。

5.如权利要求3所述的光伏变换电路，其特征在于，所述整流模块包括第五二极管、第六二极管、第二滤波电容及第三滤波电容；

所述第五二极管的阳极作为所述整流模块的第一输入端，且与所述第六二极管的阴极连接，所述第二滤波电容和第三滤波电容串联在所述第五二极管的阴极和所述第六二极管的阳极之间，所述第二滤波电容和第三滤波电容的串联节点作为所述整流模块的第二输入端，所述第五二极管的阴极、所述第六二极管的阳极分别作为所述推挽式DC-DC变换电路输出正极和输出负极。

6.如权利要求3所述的光伏变换电路，其特征在于，所述第一开关管和所述第二开关管为半导体场效应管。

7.如权利要求1所述的光伏变换电路，其特征在于，所述第一开关为继电器。

8.如权利要求1所述的光伏变换电路，其特征在于，所述光伏电源为光伏电池。

9.一种光伏电力设备，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的光伏变换电路。